2、用纵向磁聚焦法测定电子荷质比

2、::用纵向磁聚焦法测定电子荷质比::.图一用纵向磁聚焦法测定电子荷质比实验装置全图带电粒子的电量与质量的比值称荷质比，是带电微观粒子的基本参量之一。荷质比的测定在近代物理学的发展中具有重大的意义，是研究物质结构的基础。1897年，汤姆逊（J.J.Thomson）正是在对“阴极射线”粒子荷质比的测定中，首先发现电子的。测定荷质比的方法很多，汤姆逊所用的是磁偏转法，而本实验采用磁聚焦法。.::实验预习::.图1示波管结构1．示波管的简单介绍本实验所用的8SJ31型示波管的构造以及有关几何参数如图1所示．阴极K是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，经灯丝加热后温度上升，一部分电子作逸出功后脱离金属表面成为自由电子发射．自由电子在外电场作用下形成电子流．栅极G为顶端开有小孔的圆筒，套在阴极之外，其电位比阴极低，使阴极发射出来具有一定初速的电子，通过栅极和阴极间的电场时减速．初速大的电子可以穿过栅极顶端小孔射向荧光屏，初速小的电子则被电场排斥返回阴极．如果栅极所加电位足够低，可使全部电子返回阴极．这样，调节栅极电位就能控制射向荧光屏的电子射线密度，即控制荧光屏上光点的亮度，这就是亮度调节．记符号为“¤”．为了使电子以较大的速度打在荧光屏上，使荧光物质发光亮些，在栅极之后装有加速电极，相对于阴极，其电压一般为1KV至2KV．加速电极是一个长形金属圆筒，筒内装有具有同轴中心孔的金属膜片，用于阻挡离开轴线的电子，使电子射线具有较细的截面．加速电极之后是第一阳极A1和第二阳极A2．第二阳极通常和加速电极相连，而第一阳极对阴极的电压一般为几百伏特．这三个电极所形成的电场，除对阴极发射的电子进行加速外，并使之会聚成很细的电子射线，这种作用称为聚焦作用．改变第一阳极的电压，可以改变电场分布，使电子射线在荧光屏上聚焦成细小的光点，这就是聚焦调节，记符号为“⊙”．当然，改变第二阳极的电压，也会改变电场分布，从而进一步改变电子射线在荧光屏上聚焦的好坏，这是辅助聚焦调节，记符号为“○”．为使电子射线能够达到荧光屏上的任何一点，必须使电子射线在两个互相垂直的方向上都能偏转，这种偏转可以用静电场或者磁场来实现．一般示波管采用静电场使电子射线偏转，称静电偏转．静电偏转所需要的电场，由两对互相垂直的偏转板提供．其中一对能使电子射线在X方向偏转，称X向偏转板Dx．另一对能使电子射线在Y方向偏转，称Y向偏转板Dy．2．电子射线的磁聚焦原理（偏转电场为零）．（1）若将示波管的加速电极、第一阳极A1、第二阳极A2、偏转电极Dx和Dy全部连在一起，并相对于阴极K加同一加速电压Ua，这样电子一进入加速电极就在零电场中作匀速运动，如图2所示．这时来自电子射线第一聚焦点F1（在栅极G的小圆孔前方）的发散电子射线将不再会聚，而在荧光屏上形成一个光斑．为了能使电子射线聚焦，可在示波管外套一个通用螺线管，使在电子射线前进的方向产生一个均匀磁场，磁感应强度为B．在8SJ31型示波管中，栅极和加速电极很靠近，仅1.8mm．因此，可以认为电子离开第一聚焦点F1后立即进入电场为零的均匀磁场中运动．（2）在均匀磁场B中以速度运动的电子，受到洛仑兹力F的作用（1）当v和B平行时，F等于零，电子的运动不受磁场的影响，仍以原来的速度v作匀速直线运动．当v和B垂直时，力F垂直于速度v和磁感应强度B，电子在垂直于B的平面内作匀速圆周运动，如图3（a）所示（图中的F和v只表示作大圈运动电子的洛仑兹力和速度的方向）．维持电子作圆周运动的力就是洛仑兹力，即（2）电子运动轨道的半径为：（3）电子绕圆一周所需的时间（周期）T为（4）从（3）、（4）两式可见，周期T和电子速度v无关，即在均匀磁场中不同速度的电子绕圆一周所需的时间是相同的．但速度大的电子所绕圆周的半径也大．因此，已经聚焦的电子射线绕一周后又将会聚到一点．（3）在一般情况下，电子束呈圆锥形向荧光屏运动，如电子速度v和磁感应强度B之间成一夹角，此时可将v分解为与B平行的轴向速度v//（v//=vcos）和与B垂直的径向速度v┴(v┴=vsin)，两部分如图3（b）所示．v//使电子沿轴方向作匀速运动，而v┴在洛仑兹力的作用下使电子绕轴作圆周运动，合成的电子轨迹为一螺旋线，其螺距为（5）对于从第一聚焦点F1出发的不同电子，虽然径向速度v┴不同，所走的圆半径R也不同，但只要轴向速度v//相等，并选择合适的轴向速度v//和磁感应强度B（改变v的大小，可通过调节加速电压Ua；改变B的大小可调节螺线管中的励磁电流I），使电子在经过的路程l中恰好包含有整数个螺距h，这时电子射线又将会聚于一点，这就是电子射线的磁聚焦原理．.::实验仪器::.EMB-2型电子射线、电子荷质比测定仪：励磁螺线管、示波管和直流稳压，电源换向开关等．本实验仪器的参数如下：N=1596匝L＝0.260mD内＝0.090mD外＝0.098ml＝0.199ml中=0.107ml后=0.123m图一电子荷质比实验仪器.::实验图片::..::思考题::.1．为什么螺线管磁场要反向测量后求平均磁感应强度来计算e/m？提示：螺线管磁场与地磁场平行。2．如何判断一次聚焦、二次聚焦、三次聚焦．提示：聚焦时光斑是怎样的？